1.8 Методы измерения поверхностного натяжения на легкоподвижных границах фаз

Методы измерения поверхностного натяжения жидкостей делятся на статические, полустатические и динамические.

Статические методы основаны на изучение устойчивого равновесного состояния, к которому самопроизвольно приходит изучаемая система. Это позволяет получать истинно равновесные значения поверхностного натяжения, что особенно важно для систем, у которых достаточно медленно наступает равновесное состояние поверхностных слоев.

Метод капиллярного поднятия основан на уравнении Жюрена (1.31). В нем применяют достаточно тонкие капилляры, что обеспечивает сферичность поверхности мениска, и хорошо смачиваемых жидкостей (или материала капилляра)  = 0.

Методы, основанные на изучении формы капель и пузырьков в поле силы тяжести: метод лежащей капли, метод вращающейся капли (они основаны на использовании уравнения Лапласа).

Р ис. 10. Метод Вильгельми

Метод Вильгельми (метод уравновешивания пластинки, рис. 10). В этом методе закрепленную на коромыслах весов тонкую пластину шириной d (как правило, хорошо смачиваемую жидкостью) погружают в жидкость. На поверхности пластины с обеих сторон образуются мениски. Форма их поверхности и максимальная высота поднятия жидкости определяются уравнением Лапласа. Суммарный вес поднятой жидкости, приходящийся на единицу периметра пластины, не зависит от формы мениска и при нулевом краевом угле смачивания ( = 0) равен поверхностному натяжению . Поэтому сила F, которую необходимо приложить для уравновешивания пластины, равна произведению поверхностного натяжения жидкости () на удвоенную ширину пластины (2d). Отсюда

Полустатические методы основаны на достижении системы некоторого неустойчивого равновесного состояния. Определение поверхностного натяжения здесь основано на изучении условий, при которых система теряет свое равновесие. Так как приближение к границе устойчивости системы можно производить очень медленно, то полустатические методы позволяют получать значения , весьма близкие к равновесным. Однако для новых систем необходимо каждый раз подбирать скорость приближения к равновесному состоянию.

Р ис. 11. Метод максимального давления

В методе наибольшего давления под действием приложенного избыточного давления P через калиброванный капилляр в объем жидкости продавливается пузырек газа (или капля другой жидкости). По мере роста давления радиус пузырька (r) уменьшается и достигает минимального значения, равного радиусу капилляра (r0), когда поверхность пузырька приобретает форму полусферы. При дальнейшем увеличении объема пузырька радиус кривизны его поверхности возрастает (r > r0). Капиллярное давление (P) при r = r0 достигает своего максимального значения, равного

Следовательно:

при P  <  2r₀ система остается механически устойчива;

при P  >  2r₀ капиллярное давление не может уравновесить приложенного давления – пузырек теряет свою устойчивость и, быстро разрастаясь, отрывается от поверхности.

При этом обычно происходит заметный спад разности давлений в капилляре и внешней жидкости P, что позволяет четко фиксировать максимальное значение перепада давления, отвечающего условию

, откуда .

Как и в ряде других методов, часто прибегают к использованию относительных измерений, что позволяет при использовании эталонных жидкостей исключить параметр r₀.

Рис. 12. Метод отрыва кольца		В методе отрыва кольца (метод Дю-Нуи) измеряется усилие (рис. 12), необходимое для отрыва от поверхности жидкости тонкого кольца радиуса rк хорошо смачиваемого жидкостью ( = 0) и поверхностное натяжение вычисляется по формуле . Здесь k – поправочный коэффициент, зависящий от геометрии кольца, может быть найден с помощью специальных таблиц, рассчитанных на основе численного интегрирования уравнения Лапласа (1.28).
Рис. 13. Отрыв капли от торца капилляра	Широкое распространение получил сталагмометрический метод. Он основан на определении веса капли, отрывающейся под действием силы тяжести от плоской поверхности торцевого среза капилляра (рис. 13). В первом приближении можно считать, что к моменту отрыва капли ее вес (P) уравновешен силами поверхностного натяжения, равным произведению поверхностного натяжения на длину окружности капилляра:   отсюда   . Зная массу капли и радиус капилляра, можно найти и  .

Динамические методы определения поверхностного натяжения имеют более специальное назначение. Они применяются в основном для изучения существенно неравновесных состояний поверхностных слоев жидкостей и скоростей установления равновесной структуры их поверхности.

Метод колеблющихся струй позволяет изучать свойства поверхности жидкости через очень малые промежутки времени после их образования.

Суть метода состоит в поочередном обращении большой и малой осей элептического отверстия. Под воздействием сил поверхностного натяжения элептическое сечение струи стремится принять форму цилиндра с круговым сечением, а инерционные силы сохранить форму. При этом на поверхности возникает поперечная волна, длина которой связана с поверхностным натяжением. Полученные таким образом результаты сравнивают с результатами полустатитческих и статических методов, что позволяет делать выводы о скорости установления равновесной структуры поверхностных слоев, кинетике адсорбции и т.д.

12